带互锁连接预制波纹钢管梁系统：人行桥的设计、有限元分析与试验验证

《KSCE Journal of Civil Engineering》：Prefabricated Corrugated Steel Tube Girder System with Interlocking Connections: Design, Finite Element Analysis, and Experimental Validation for Pedestrian Bridges

　　

钢制管梁桥因施工周期相对较短且外观优美，被广泛用于人行通道。然而，传统圆形钢管梁存在梁-桥面板界面荷载分布差、桥面板刚度不足、纵向连接现场焊接质量关键性问题。针对这些局限，研究人员提出一种带创新预制互锁连接系统的波纹钢管梁，并通过三个连续阶段验证其性能：（1）设计概念与连接细节；（2）有限元分析（FEA）解析验证；（3）静载试验试验验证。波纹钢管与混凝土桥面板之间的组合作用使中性轴上移，钢管压应力降至传统值的44%，钢材用量减少约48%。通过取消连续现场焊接，现场连接时间大幅缩短。采用MIDAS Civil的有限元分析确认在KDS 24 14 30规定的六种荷载组合下所有构件应力均在允许范围内。最大梁挠度4.795 mm远小于25 mm允许限值，基频2.75 Hz超出共振临界范围。缩尺试件（1:2截面缩尺）静载试验最大施加荷载236.3 kN，相当于规定极限荷载200 kN的1.18倍，钢应变安全系数至少2.08，混凝土桥面板安全系数至少2.95。至最大施加荷载为止，安装的位移量测未检测到接头张开或断裂。

研究背景与问题提出

钢梁桥因高强重比受青睐，但成本高且易腐蚀；混凝土梁桥自重大。组合梁桥兼顾二者优势，其中钢管梁人行桥因美观与工期短被广泛应用。然而传统圆形钢管梁存在三方面结构性缺陷：圆柱管与平桥面板间线接触导致组合作用弱；桥面板作为非结构构件刚度不足易局部屈曲；现场纵向连续焊接质量波动大且有安全隐患。同时箱梁断面的气动与抗震弱点亦有文献记载。为突破上述限制，研究人员提出带预制互锁连接系统的波纹钢管梁，将波纹截面、组合作用与无焊装配集成一体，并在《KSCE Journal of Civil Engineering》报道其设计、分析与试验全链条研究。

主要关键技术方法

研究人员采用三阶段递进法：先基于弹性换算截面法推导组合截面中性轴位置与塑性弯矩容量，建立互锁接头双路径力学模型（高强螺栓受拉+波形抗剪键受剪）；再以MIDAS Civil建立三跨连续梁三维梁单元模型（每跨15单元、柱6单元，刚接连接模拟互锁节点，柱底固结，计入10 mm支座沉降），按KDS 24 14 30六种荷载组合做容许应力（ASD）校核与特征值振动分析；最后制作1:2截面缩尺两跨连续试件（管半径R288 mm、总长10.18 m、SM355钢、fck=35 MPa预制板），布置5应变片与2 LVDT，按125 kN（设计）/150 kN（屈服）/200 kN（极限）三级加载至236.3 kN，与解析及有限元预测对照。

研究结果

2 结构概念与设计细节

2.1 系统概述：波纹钢管上开口嵌入混凝土板形成组合作用，模块间工厂预制雌雄波形互锁，现场免焊拼装如积木。

2.2 传统管梁局限：中性轴位于圆截面形心，组合后上移使钢管受压增大；线接触削弱剪力件功效；连续现场焊质量难控。

2.3 波纹管梁优势：组合后中性轴上移，钢管受拉主导、混凝土板受压主导，材料各尽其用；波形截面还具流线型抗波浪洪水效应。同跨同载下管径由1400 mm降至1150 mm，钢重由52.8 t降至27.2 t（降幅48%），最大压应力由213 MPa降至93 MPa（44%）。

2.3.1 组合截面应力解析模型：对等效光滑圆截面Φ609 mm（t=9 mm，A=18586 mm2，I=9.162×10? mm?）与2000×100 mm混凝土板（fck=35 MPa）用换算截面法得中性轴距板顶194.3 mm，落于管内距管顶94.3 mm处，85%管高受拉；塑性中性轴落入板内，全管屈服受拉，塑性弯矩M_p=1608.6 kN·m。

2.4 互锁连接细节：波形啮合面提供抗剪键，M22 F10T高强螺栓（单栓设计轴力200 kN）受弯拉，8个28 mm宽剪切键传剪。2.4.1节理论模型取梁端截面需求M_u=334.8 kN·m、V_u=121.2 kN，螺栓群抗弯容量880 kN·m（裕度2.63），剪切键抗剪304.6 kN（裕度2.51），两路径解耦。2.4.2节波纹齿角θ由90°降至65°使波高降42%、组合惯性矩降76%、跨中拉应力翻倍而减重仅7%，推荐θ≥80°。2.4.3节壁厚24→32 mm使I增26%、底纤维拉应力降17%但钢重增32%，证实齿角与壁厚为互补设计变量。

3 结构设计：三跨15 m×3、宽2.0 m、预制板fck=35 MPa，按KDS/AASHTO等规范ASD设计，等效分析截面Φ609 mm。

4 结构分析

4.1 有限元模型：MIDAS Civil三维梁单元，刚接节点。

4.2 截面力：跨中正弯187.91 kN·m，中支座负弯-334.81 kN·m，梁端剪±121.16 kN。

4.3 容许应力验证：LC-4控制下梁端总压116.12 MPa<157.17 MPa，柱最大143.27 MPa<153.42 MPa，全部OK。

4.4 服役性：最大挠度4.795 mm（允许25 mm=L/600），基频2.75 Hz>1.5–2.3 Hz共振带，横向质量参与90.72%。

4.5 桥面板与锚固：板弯剪裂宽0.048 mm<0.300 mm；连接区实体子模型在125 kN下von Mises应力177 MPa（屈服355 MPa安全系数2.01），200 kN下264 MPa（1.34）。

5 试验程序：1:2缩尺两跨试件，SM355钢、7根?20 mm Dividoc螺栓，125/150/200 kN三级加载。

6 试验结果与讨论

6.1 荷载-位移：最大236.3 kN（1.18倍极限），跨中位移20.80 mm<25 mm，接头LVDT无张开，卸载回零。

6.2 荷载-应变：板中心压应变-399.8 με，板边拉183.0 με，管底拉560.1 με（仅为SM355屈服应变1170 με的48%，钢安全系数≥2.08），混凝土板安全系数≥2.95；管上缘在低载微压后转拉，符合中性轴上移机制。

讨论与结论翻译

讨论指出，波纹钢管通过组合作用将中性轴上移至混凝土板内，使钢管以受拉为主，压应力仅为传统圆管44%，配合截齿角θ≥80°与壁厚协同优化，在同等跨度荷载下省钢48%。互锁连接以波形啮合抗剪、螺栓受拉实现双路径解耦，现场免连续焊接，装配效率类同预制模块化桥梁。有限元六组合应力、挠度、基频均满足KDS与AASHTO人行桥要求；1:2缩尺静载达1.18倍极限荷载仍未屈服，接头无损伤，证实系统具备充足安全储备。该研究为人行桥提供了一种截面向优、连接可靠、施工快捷的组合梁替代方案，结论可表述为：带预制互锁连接的波纹钢管梁在设计中实现钢材减量约48%与压应力降至44%，有限元与缩尺静载（最大236.3 kN，1.18倍极限）共同验证其应力、挠度、频率及接头完整性均满足规范，钢与混凝土安全系数分别≥2.08与≥2.95，系统适于工程推广。